嚴(yán)俊，董知周，劉亮亮

(1. 國網(wǎng)樂清市供電公司，浙江 樂清 325600；2. 國網(wǎng)溫州市供電公司，浙江 溫州 325000； 3. 天津大學(xué) 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津 300072)

0 引 言

在并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器作為系統(tǒng)的重要組成部分，其控制方法直接影響系統(tǒng)的電能質(zhì)量、造價和運行效率。文獻(xiàn)[1]設(shè)計了共直流母線式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，通過逆變環(huán)節(jié)電壓外環(huán)的控制策略，保持直流電壓穩(wěn)定，但未配置儲能環(huán)節(jié)，使其輸出功率波動大，控制難度較高。文獻(xiàn)[2]中并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器外環(huán)采用(proportion integration, PI)控制直流母線電壓，內(nèi)環(huán)電流控制采用控制算法，缺少風(fēng)機(jī)部分對逆變器的影響，系統(tǒng)整體并不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[3]提出一種單相并網(wǎng)逆變控制算法，即在傳統(tǒng)單環(huán)PI控制的基礎(chǔ)上加入電壓環(huán)來提高直流母線電壓的穩(wěn)定性，但是其在系統(tǒng)狀態(tài)變化時周期較長且具有一定的穩(wěn)態(tài)誤差。

為此，本文提出一種變結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)PI控制方式，即分時段采用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)和Boost電路直流電壓-并網(wǎng)電流雙閉環(huán)的控制方式對并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制，其中Boost電路結(jié)構(gòu)加入儲能環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)的容錯率。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由風(fēng)機(jī)、光伏、儲能電池組和雙閉環(huán)PI控制模塊等部分組成。

1.1 光伏發(fā)電數(shù)學(xué)模型

圖2所示為光伏電池等效電路[4]。

光伏電池輸出電壓和電流的關(guān)系[5]可以表示為:

(1)

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 光伏電池等效模型

式中：：I為光伏電池的輸出電流，A；U為光伏電池的輸出電壓，V；Iph為光電流，A；Io為反向飽和電流，A；q為單個電子所含的電荷量，1.6×1019，C；K為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23，J/K；T為光伏電池表面的溫度，K；n為光伏電池的理想因數(shù)，n=1～5；Rs為串聯(lián)電阻，Ω。

為提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率，本文采用改進(jìn)的電導(dǎo)增量法，即將原來定步長改進(jìn)為變步長，取步長為k|dP/dU|，即當(dāng)離工作點近時減少k的取值，當(dāng)k小于一定取值時，可以認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到最大功率點，這樣可以減少算法的追蹤時間，提高算法準(zhǔn)確率。

1.2 風(fēng)力機(jī)發(fā)電數(shù)學(xué)模型

根據(jù)空氣動力學(xué)原理，風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中捕獲的機(jī)械功率Pm和機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm為[6]：

(2)

式中:ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；v為風(fēng)速；ω為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速；λ為葉尖速比；β為槳距角；CP為風(fēng)能利用系數(shù)。在β不變的情況下，CP隨著葉尖速比λ的變化而變化[7]，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω滿足最佳葉尖速比λopt時，風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大CP=CP_max，即可獲得最大功率。

(3)

1.3 儲能數(shù)學(xué)模型

蓄電池充放電的過程比較復(fù)雜，一般采用簡化的數(shù)學(xué)模型來模擬蓄電池的電化學(xué)特性。Shepherd模型根據(jù)蓄電池的端電壓和直流側(cè)電流來描述電池的電化學(xué)行為[8]：

(4)

式中：Et為端電壓；E0t為充滿電時的開路電壓；Rt為歐姆內(nèi)阻；Kt為極化內(nèi)阻;SOC為蓄電池的荷電狀態(tài);I為蓄電池直流側(cè)電流。

1.4 傳統(tǒng)的逆變器控制策略

傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制可以分解為內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)控制器。內(nèi)環(huán)電流控制器由并網(wǎng)電流通過派克變換輸出dq軸電流并使快速跟蹤參考值；外環(huán)控制器可根據(jù)直流電壓參考值和經(jīng)鎖相環(huán)鎖定的并網(wǎng)電流頻率和相位，計算內(nèi)環(huán)電流控制器的dq軸電流參考值，再經(jīng)PI控制及矢量坐標(biāo)變換得到逆變器SPWM驅(qū)動控制信號，如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制策略

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由于存在并聯(lián)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，使用傳統(tǒng)逆變器控制并不能真實地反應(yīng)風(fēng)力發(fā)電對逆變器控制的影響，故本文在傳統(tǒng)的逆變器控制基礎(chǔ)上增加風(fēng)機(jī)部分對逆變器控制信號的影響。

2 切換控制系統(tǒng)

為了解決前述不足，本文在圖1基礎(chǔ)上增加了切換控制和風(fēng)機(jī)雙閉環(huán)PI控制兩大部分，如圖4所示。并網(wǎng)逆變器采用雙結(jié)構(gòu)控制，由切換控制模塊根據(jù)兩系統(tǒng)反饋的轉(zhuǎn)速和光照信號對兩控制部分進(jìn)行切換。

圖4 切換結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)PI控制拓?fù)鋱D

2.1 風(fēng)機(jī)雙閉環(huán)PI控制策略

增加的風(fēng)機(jī)部分雙閉環(huán)PI控制策略采用轉(zhuǎn)速外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制方式。轉(zhuǎn)速外環(huán)是由功率信號反饋法追蹤得到的轉(zhuǎn)速給定值，反饋值是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，內(nèi)環(huán)由風(fēng)機(jī)三相電流由abc/dq變化得到dq軸的電壓反饋值，再經(jīng)PI控制及矢量坐標(biāo)變換得到逆變器SPWM驅(qū)動控制信號，如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)雙閉環(huán)PI控制策略

2.2 切換策略

由于光照和風(fēng)速容易受到天氣等自然條件的影響，因此設(shè)定兩種控制結(jié)構(gòu)的切換閾值及切換條件的最小觸動值，來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性[9]?；パa(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)表1所列出的模式進(jìn)行切換，設(shè)定蓄電池的工作范圍SOC設(shè)為10%

表1 工作模式和控制方式

切換條件設(shè)定：設(shè)某t時刻的光照強(qiáng)度為St，風(fēng)速為Vt，且St和Vt的出力最小臨界值為St-min和Vt-min，則t+i時刻時光照強(qiáng)度為St+i，風(fēng)速為Vt+i，i為鄰近t的某短時間點。

(1) 當(dāng)Vt

(2) 當(dāng)St>St-min，Vt90%時停止充電，并以一定的平均功率同時向電網(wǎng)送電，若平均功率不足，蓄電池放電來補(bǔ)充，SOC<10%時停止放電。

(3) 當(dāng)StVt-min時有風(fēng)無光(10)，以轉(zhuǎn)速外環(huán)-風(fēng)機(jī)電流內(nèi)環(huán)控制為主，優(yōu)先給蓄電池充電，蓄電池SOC>90%時停止充電，同時以平均功率向電網(wǎng)送電，若平均功率不足，蓄電池放電來補(bǔ)充，SOC<10%時停止放電。

(4) 當(dāng)有風(fēng)有光(11)時，維持或切換至工作模式01或者10，優(yōu)先給蓄電池充電，蓄電池SOC>90%時停止充電，并保持一定的平均功率同時向電網(wǎng)送電，如有余量可控制MPPT的通斷。

上述切換模式如圖6所示。

圖6 切換模式流程圖

3 切換控制策略仿真分析

本文在MATLAB環(huán)境中進(jìn)行仿真，主要是通過確定并網(wǎng)電壓來觀察并網(wǎng)電流的變化。設(shè)定工況為：1 s前有光無風(fēng)，1～2 s時有風(fēng)無光，2～3 s時風(fēng)光均有，切換控制效果以并網(wǎng)A相電流為例進(jìn)行分析?；パa(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)采用傳統(tǒng)控制策略如圖7所示。從整體來看，當(dāng)風(fēng)速或者光照有所變化時，A相電流經(jīng)過較長時間達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，且幅值和頻率有較大的變化。

圖7 采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制

采用切換控制結(jié)構(gòu)后效果圖8所示，由于控制結(jié)構(gòu)的切換及儲能的加入，并無出現(xiàn)幅值或者頻率的較大的波動，并且電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間大大縮短，有效減少能量的損失，其中儲能提供短暫的電流支撐，使過渡過程更加順暢。

4 結(jié)束語

本文針對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)逆變器提出一種雙結(jié)構(gòu)切換控制策略，即逆變器的控制部分根據(jù)風(fēng)光的強(qiáng)弱分段采用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速外環(huán)-風(fēng)機(jī)電流內(nèi)環(huán)、直流升壓電路電壓外環(huán)-并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)的雙結(jié)構(gòu)控制，有效實現(xiàn)并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在不同時段的穩(wěn)定運行，遏制發(fā)電系統(tǒng)的電流功率波動，提高風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性，增加的儲能裝置與提出的控制策略的相互結(jié)合平衡了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)理論與實際注入電網(wǎng)的電流功率偏差，實現(xiàn)風(fēng)光可再生能源低容量儲存，增強(qiáng)了電網(wǎng)消納風(fēng)光電能的能力。

圖8 切換控制結(jié)構(gòu)A相電流效果圖